从零始 教你用RMAA测试音频电路系统

从零始 教你用RMAA测试音频电路系统 从零开始 教你用RMAA测试音频电路系统 前言 电子爱好者们经常希望测试自己的音频设备如声卡、碟机、功放、音箱等的性能指标却苦于没有价格高昂的专业测试设备而无从下手设计制作时也无法进行必要的测试指导。有些CD碟提供了测试信号如著名的quot雨果发烧碟一quot、quotMy Diskquot等《无线电》也曾推出音频测试CD。但CD信号的精度有限而且没有操作系统的配合测量、记录和分析都很不方便。 在计算机普及率相当高的今天故步自封实无必要。通用的专业虚拟仪器价格昂贵速度高但精度却低并不适用于音频就不必考虑了。但现在软件可以代替很多硬件的工作有几个软件提供了非常好的音频测试分析功能与PC声卡配合就可以形成一套音频虚拟仪器可以让大家做到以前梦寐以求的测试分析。笔者整理总结了一些这方面的软硬件知识、经验和技巧愿奉献出来与大家共享使大家用业余的设备极小的投资获得专业级的测试结果。 这里将向大家连续介绍三个软件RMAAAdobe Audition原CoolEdit和Spectra它们各有长处优势互补也可以互相参考。Audition侧重波形生成和编辑处理Spectra侧重图示分析而RMAA则方便快捷测试全面。这里先向 免费。大家介绍最值得推荐的软件--RMAA。说它最值得推荐是因为它有几大优点 1.与其它几个价格高昂的专业软件不同它完全免费。 2.小巧玲珑功能实用。别看它只有几百K大小功能却相当强一般音频测试应用完全够用。而且其作者非常敬业更新很快每隔几个月都升级一次功能越来越强最近的版本包含了其它专业软件所不具备的几项非常实用的功能。 3.容易使用。其功能设置合理高效容易上手。 RMAA的 俄罗斯硬件资讯网站IXBT.com开发全名是quotRight Mark Audio Analyzerquot是由 的音频硬件测试软件最新版本5.22003年12月8日才发布大家可以到其官方网站自由下载。好了说了这?炊嗫炖纯纯丛趺词褂冒?1.主界面 安装后打开程序显示图1所示的对话框很简洁明了是吧对话框可分成四个功能区分别是1设备选项区2测试项目区3测试操作区4功能设置区。 图1 2.设备选项 软件最初的目的和最基本的功能就是测试声卡性能因此设备选项区选项都是针对声卡的。左边两栏选择放音和录音的设备一般我们只用一块声卡而且现在的声卡都是全双工的即放音的同时可以录音互不干扰因此选同一设备即可。但如果你要用高档专业声卡测试别的声卡就需要分别选择两块声卡。中间两栏选择声卡的分辨率位数和取样频率一般声卡取16Bit/48KHz高档声卡可以达到24Bit/96KHz而目前最好的专业声卡可以达到24Bit/192KHz的取样频率和极其优秀的频率响应以及各项失真极其微小的高指标不过价格可就高得很了。如果你不清楚声卡的参数程序可以为你测试点击右边两栏的quotModes.quot和quotPingquot和按扭即可弹出对话框指示你的声卡支持的分辨率位数、取样频率、全双工工作状态正常与否。不过需要指出目前许多主板集成的quot软quot声卡可以由数字变换来处理24bit/96KHz以上的信号给出虚假的高性能。实际的CodecAD/DA芯片不过是16bit/48KHz的模拟信号受此限制而不可能更高。 3.测试项目 测试项目包括六项分别是quotFrequency responsequot频率响应、quotNoise levelquot噪声水平、quotDynamic rangequot动态范围、quotTotal harmonic distortionquotTHD总谐波失真、quotIntermodulation distortionIMDquot互调失真、quotStereo crosstalkquot立体声串扰通道分离度quotCheck/uncheck allquot选项可以快速选取或清除全部选项。这些项目涵盖了音频设备的大多数重要指标对于业余爱好者一般都够用。 4.测试操作 测试操作区有五个操作按扭从左到右分别是 1回路测试即从声卡输出并录入测试信号。直接将声卡的输出输入对接即可测试声卡指标这当然也是最简单的而在回路中接入 其它设备如功放、音箱、麦克风等就可以测量其它设备推而广之在回路中接入电阻、电容、电感即可测试其音频传输特性从而使器件评价和分频器的设计测试变得很简单。 2放音测试即只从声卡输出测试信号。这时我们可以测试其他录音设备比如录音机、MD机、MP3录音机等等只要将信号录制完后传回电脑并转为WAV文件即可由软件读取分析。 3录音测试即只从声卡录入测试信号。假如我们要测试CD机的输出性能怎么办这个选项就可以让你做到。将测试信号刻成光盘让CDVCD、DVD、卡座等等播放输出的模拟信号由声卡录入结果如何很快就知道了 4保存测试信号将测试信号以WAV文件格式保存起来便于转换和刻录光盘。如果我们要测试MD、MP3等数字录音设备的输出性能可以将测试信号WAV文件直接转换为需要的格式然后传给设备即可不必经过其模拟输入转换防止信号劣化而对于CD、DVD等只好刻光盘啦 5读取测试信号即读取第2选项生成的WAV文件进行分析显示结果。 五个按扭上方有一个点选框quotAdjust playback/recording levelsquot调节放音/录音电平选中它可以在回路测试和录音测试前进行电平调节使信号电平合适不至于过低而无法准确测量或过高而产生削波失真。 5.功能设置 在功能设置区有四个选项分别是quotWIZARDquot向导、quotAdjust I/O levelsquot输入输出电平调节、quotTest options.quot测试选项、quotLoad results.quot读入结果。 使用向导可以让我们轻松学会测试的操作步骤它将上述五种测试操作项目分步提示你如何操作和选择从而正确完成测试。具体过程你试试就会了挺简单的 值得一提的是测试选项的内容。点击打开显示图2所示的对话框。图中显示的是quotTest signalsquot测试信号子对话框这里我们可以自由选择测试信号的特征quotCalibration tone and sync tonequot校准/同步信号可选30至15000Hz总谐波失真测试信号可选50至7000 Hz互调失真测试信号则可选50至21000 Hz范围之广是传统的模拟仪器难以比拟的由此可见电脑测试的先进性。 图2 quotGeneralquot子对话框包含两个选项其一是quotSave resulting WAV filesquot即将测试结果保存为WAV文件。选中该选项测试完成后会弹出一个对话框提醒你将录制的WAV文件保存到某一目录。 利用该WAV文件你可以用别的软件进行显示、分析、对比以得出更加可信的结论。另外一个选项是quotAnalyze noise and distortion only in 20Hz-20KHzquot即只分析音频范围的噪声和总谐波失真。因为现代声卡取样频率越来越高高档的已经达到192KHz可能产生不少超声噪音因此用软件滤除带外噪声可以得到好的实用结果。不过对于顶级声卡带外噪音很小而且超声波可以精确输出。 quotSound cardquot子对话框的选项只有一个即选择是否使用WDM驱动程序。WDM驱动程序是随着WINDOWS2000而产生的新一代硬件驱动程序标准其特点是操作系统对硬件的控制能力大大加强使大多数硬件工作更可靠。但事情总是一分为二的对有些声卡来说WDM驱动程序可能会使其反应速度减慢例如使用MIDI时按下音符键要延时一会才能发声破坏了弹奏的实时效果这当然是最好避免的。另外有些老声卡在WDM驱动程序下表现不好具体情况可以经过对比测试来决定。 quotDisplayquot子对话框有四个选项。quotSmaller spectrum windowsquot是用小的窗口显示频谱分析结果。quotDisplay full frequency rangeup to Fs/2quot是显示全频带范围直到1/2取样频率。 quotDraw only tops of spectrum on comparisonquot即比较曲线时只显示顶部。quotInvert spectrum graph colorsfor printquot即以补色显示波形窗口背景为白色打印更方便。不过观察时还是黑背景更悦目。 该对话框还有两个输入条可以输入quotGraph line pixelquot图示曲线点数为1至3以改变显示的曲线粗细。 另一个可以选用自定义的颜色显示曲线但补色显示时不起作用。点击quotSet all colors to defaultquot即可恢复默认颜色。 quotAcoustics testsquot声学测量子对话框包含三个选项即quotEnable acoustics testing modequot开通声学测量模式、quotThorough frequency response testquot全频带测量、quotSubwoofer testquot超低频测试。另外有一个点选框可以选择THD分析模式为quot2-nd and 3-rd harmonics onlyquot只计算2、3次谐波或quotTHDNoisequot总谐波失真加噪声。以前版本的声学测量THD实际上都是THDN。 声学测量是最近的版本新增的功能它采用扫频信号测试频率响应而另一模式用的是类白噪声不是真正的白噪声但特性类似具体知识见下期。声学测量模式只能测试频率响应在此模式下主对话框的测试项目区其它选项将变灰不可选取。该软件最大的特色是声学测量模式给出了全频带的THD总谐波失真曲线这可是很有价值的功能可以更清楚地显示器材的性能。要知道别的软件即便是价格数千美元的专业软件也无此功能。要测量得出该曲线需要用到quot动态滤波quot功能即跟踪测试信号实时改变滤波频带一方面记录频率响应另一方面滤除中心频率而记录其它频率的谐波响应最后将结果叠加显示这需要高超的编程技巧。图3给出了声学测量结果的示例。图中THD曲线即只计算2、3次谐波。可以看到100Hz以下的THD太高是典型的低频特性差的例子。到约11KHz处即降到无法显示可以理解因为取样频率有限该频率以上的谐波都超出了频带。 图3 6.结果显示 测试完成后弹出图4所示的对话框指示放置测试结果。如果你选择了quotSave resulting WAV filesquot选项会先弹出保存文件对话框。将测试结果放置在图5所示的对话框中。 图4 图5 该对话框可以存放四个测试结果以便互相比较六项测试的结果精确数值一目了然。点击右边的图示按扭即可弹出一个图形结果窗口将测试结果曲线显示出来参见图3。在此窗口中你可以将曲线放大到很大频率以1/10/100Hz精度、分贝值以0.2dB精度显示。怎么样够精确了吧不仅如此左下方的数值条更可以以1Hz、0.01dB的精度显示数值如果你要比较曲线可以装载多个测试结果将其下方的quotSelectquot点选框都选中再点击图示按扭即可。 该对话框左下角有四个操作按扭从左到右分别是打开测试结果、保存测试结果、制作HTML报告、频响校准。 这里的打开和保存测试结果与上述的保存WAV文件是不同的这里指的是软件分析的结果与功能设置区的quotLoad results.quot读入结果是一致的文件格式为.sav普通模式和.sac声学测量模式以及传声器的校准文件.mdf都是很小巧的。 quot制作HTML报告quot按扭可以让你轻松地将测试结果制作成网页便于浏览、交流、发布。 quot频响校准quot是又一项RMAA特有的十分有用的功能。我们知道一般硬件很难做到频率响应非常平直。首先一般声卡的频响就不平用它来测量其他设备当然要影响结果了。那么如何消除这种影响呢quot频响校准quot为你大显身手。你可以将声卡自身的测试结果保存起来测完别的设备后将其载入点击quot频响校准quot按扭即会弹出一个对话框要求你quotSelect the slot to be correctedquot选择要被校准的结果和quotSelect the reference slotquot选择参考结果分别选取即可完成校准工作这可比模拟设备的校准方便多了 涉及到电声转换的校准主要是对传声器校准。这时你可以装载传声器的校准文件具体操作是点quot打开测试结果quot按扭在弹出的对话框中quot文件类型quot选项选quotMicrophone Data File.mdfquot打开传声器的校准文件高档传声器厂家可能会提供校准文件然后执行上述的校准操作。 有了RMAA电脑音响爱好者多了一把利剑测试和评价将不再全凭主观设计调试和检测也不必再盲目摸索。不论你是否quot金耳 朵quot图形化的客观测试结果更具说服力 上次我们介绍了RMAA的一般使用方法。相信有兴趣的读者已进行了安装使用并且可能有一些问题本期我们就深入了解一下RMAA的一些相关知识和声卡测试、选择的实战技巧。 1.声卡指标评价 声卡对于我们的电脑既是quot喉舌quot又是quot耳朵quot其性能如何直接关系到音频信号处理的能力。RMAA的初始目的和基本功能即基于声卡测试只是随着版本更新功能增强提供了其它扩展应用的能力。 如何评价声卡的性能软件的六项测试会给出大致的轮廓。但必须注意测试的过程包括信号的输出和输入两个环节如果用一块声卡进行环路测试对于常见的多媒体声卡输入环节的指标较差难以正确反映出声卡的输出质量。这时我们可以用高质量的专业声卡作为输入/输出参考设备可以分别测出普通声卡的输出/输入指标。你可以在一些网站上找到大量这样的声卡测试结果根据这些数据可以比较客观地评价各种声卡的性能指标。 不过话说回来如果我们想用一般声卡进行其它电声设备的测试工作就必须进行环路测试接受输出和输入两个环节的影响。将环路测试结果与上述的参考数据比较分析就可以了解它的综合性能。 但这些数值到什么程度为好呢由于考虑到更广泛的应用软件的新版本不再提供评价结论的功能但其早期版本说quot早期quot也不过是2002年的事提供了该功能这种版本的最后一个是RMAA3.4现在仍然可以下载使用有兴趣的话可以安装参考高低版本间没什么冲突。评价的结论有五级即quotExcellentquot优秀、quotVery Goodquot很好、quotGoodquot好、quotAveragequot一般、quotPoorquot差分项评价和综合评价都有。例如最好的专业声卡可以做到全部指标为quotExcellentquot而一般的主板集成声卡只能做到quotAveragequot和quotPoorquot平分秋色有一两个quotGoodquot就算不错了。 看看实测的结果再说声卡回路测试只需要用一段输出-输入短路线即常说的quot对录线quot一般声卡用两头都是3.5毫米立体声插头的线即可高档专业声卡可能用RCA莲花插头或6.3毫米插头。为了保证质量可以用优质插头和短的优质屏蔽线自制。将线路输出与线路输入连接起来按照软件要求调节好回路电平即可开始测试。图1给出了一个典型的主板集成AC97声卡的RMAA3.4测试结果。 结果为quot好quot、quot一般quot、quot差quot各两项总评价quot一般quot。可以理解一般多媒体声卡与专业声卡的差距是相当巨大的特别在输入指标方面。要不那些价格相当于一台主流电脑的专业声卡也就没有生存的余地了。如果我们只做一些要求不高的声学测试一些优秀的百元级别的声卡也可以胜任但要进行专业化的测试分析则需要把眼光投向那些昂贵的专业声卡。好在现在许多专业声卡生产厂家推出了一些quot准专业quot声卡千元左右价位支持多声道素质不错值得考虑。如果你要求最好的指标就需要挑选最好的专业声卡了这需要数千乃至上万的价格。 2.测试系统要求 需要说明在不同的计算机间和不同的操作系统下以及用不同版本的驱动程序时声卡的表现可能有差别甚至可能是很大的差异。这正是声卡quot软硬兼具、数模共存quot的特征体现。因此要进行精确的测试应该对计算机系统通盘考虑采取必要的措施保证应有的性能。测试用的计算机应该是配置简单、性能稳定的可以采取适当的屏蔽、隔离、降噪措施。例如采用优质电源、集成显卡、液晶显示器显卡和CRT显示器是重要的干扰源、较低速的主板CPU等来配置系统可以得到较好的效果。当然一般的练习、演示就可以放宽点要求了。但是必须注意测试程序一定要单独运行即不能有其他程序在后台执行运算和读写操作否则会给测试结果带来不可预料的影响。这可以用一个简单的例子来说明例如你在听音乐时执行其他程序经常会明显地听到干扰杂音。 关于不同的驱动程序造成声卡的表现不同的问题在有些老声卡上表现突出。我们可以用各个版本的驱动试听试测找到最合适的驱动使用。 在良好的配置和正确的操作下用RMAA可以得到相当精确的结果与其它专业测试软件的结果是完全可以互相印证的。用优秀的平价声卡也可以得到不错的指标可以与许多模拟仪器的指标媲美。 笔者最近在网上看到不少言论怀疑RMAA的测试结果是否可信也怀疑声卡是否能够用来当测试仪器。对此笔者不敢苟同。 首先从硬件角度讲声卡本身是音频信号输出和输入的设备优良的声卡可以以非常高的保真度传递信号那么为什么它不能用来做测试呢对有一点缺陷就是没有精确标定输入输出的电平值也没有完善的衰减/放大界面。专业测试不多见用声卡的我想很大程度是由于这点不足。但业余电子爱好者乃至很多小公司根本没有那样quot财大气粗quot可以花费巨额资金购置专业测试系统。弥补这点不足对于电子爱好者来说不正是发挥长处的舞台吗将扩展后的系统进行精确定标不也花费不了多少吗扩展的原则性方案笔者已经在2004年第一期《电子制作》上撰文《电脑音频虚拟仪器的构建与使用》讨论有兴趣可以找来参考这里就不再详述了。 从硬件指标讲只有少数专业测试系统可以超越顶级声卡其它大多数根本难以匹敌。而即便是顶级的声卡比大多数专业测试系统都便宜很多而且用途要更广泛更超值软件升级的空间无限。 再看软件。其实所有的软件处理的都是经AD/DA变换前后的数字信号也没有经过诸如声卡DSP的处理因此只要不是设计的错误在满足上述硬件系统要求和正确操作的前提下应该给出非常可信的结果。笔者长期用RMAA与其它测试软件对比分析结果一致性相当好。 但是该软件有它独特的设计思路和分析方法我们应该有所了解才能做到胸有成竹深入领会。下面我们就来看个究竟。 3.软件特征及测试结果分析 为了将测试的各项指标分析结合演示出来这里给大家推荐一款优秀的普及型声卡创新Vibra128。推出多年现在仍有出售百元价位素质相当不错其音质也有很好的口碑。根据笔者用RMAA回路测试的结果分析其输入特性也是相当不错的下面就其各项测试结果进行一些分析为了方便看到RMAA的评价用3.4版的测试结果与5.2版的结果是基本一致的。 图2 图2为Vibra128的总结果与上述主板集成声卡相比后5项指标都高出很多只是频率响应稍差。这是在一台800M处理器WIN2K操作系统的计算机上得到的结果在另一台400M处理器WIN98操作系统的计算机上可以得到更好的结果虽然都没有进行专门的降噪处理指标已经相当不错了。另一台上的噪声只有-87.9dB其它指标也好许多可以得到quotVery goodquot的总评。 以下各项说明均引用Vibra128的RMAA5.2测试结果。如图3在测试结果对话框中将鼠标移到某一数值条上右击鼠标即可弹出一个对话框让你选择显示图表、显示详细数值、或二者都显示。下面我们就看看二者都显示的情况 图3 如图4这是频率响应的结果。详细数值框显示quot40Hz-15KHz0.63-0.820Hz-20KHz0.63-5.5quot。从曲线也可以看到频响不是很理想在中高频有约正负1dB的波动非常接近20KHz处衰减较多。这是由于输入特性差造成的主要是因为声卡的SRC算法不良而引起。SRC即Sample Rate Conversion也就是取样率转换。因为该卡是符合AC97规范的核心频率为48KHz在处理CD信号的44.1KHz频率时需要运算转换。而二者间是不能除尽的因此算法的好坏直接影响结果。根据专业网站提供的结果其48KHz取样频率下输出频响曲线还是挺平的。笔者推测其输入端是固定在44.1KHz的核心频率上的因此会使48KHz的回路测试结果频响不平。不过对于我们的测试应用由于RMAA具有了频响校正的功能这一点不平已经不算什么了可以方便地通过校正来消除。 这里RMAA 用的是专门设计的quot类白噪声quot信号频带范围为5Hz至1/2取样频率。其实质是一系列点频的混合在1KHz至10KHz间最密集而且其高低频都有衰减其目的是与实际的音乐频谱尽量接近并不是严格的白噪声其它测试软件大多用标准的白噪声。而其分析方法虽然也是FFT但也与其它软件有区别。它并不将FFT分析的结果直接显示而是将其与数字测试信号的FFT分析结果相比较最后显示差值。这也是由其测试信号的特殊性决定的因为如果是标准的白噪声其本身频谱是一条直线比较不比较没什么区别。 图4 图5为噪声频谱曲线可见其噪声大多集中在某些频点其它频段的噪声都低于-110dB总的噪声功率为-81.6dBA。这时我们应该用quot分段噪声quot的概念去理解因为FFT分析可以将固定频段的噪声分离出来。也就是说并不是所有低于-81.6dBA的信号都不能处理在1KHz以下-90dB的信号就可以处理当然质量不是很好。 图5 在数值框中我们可以看到噪声没有经过A均衡的值差别不大从图中也可以看到噪声最高约在1.6KHz处是人耳最敏感的频段。不过在WIN98操作系统的计算机上这个峰移到了约12 KHz处而且低很多。另外数值框中还给出了噪声峰值和直流偏移的值DC-0.01。所谓直流偏移就是声卡参考电位的误差而导致输出波形被调制在一个固定的直流电平上的情况一般多媒体声卡都或多或少存在而高档专业声卡可以做到几乎没有直流偏移。这只声卡的直流偏移还是比较小的。 RMAA分析噪声的方法是先去除直流偏移然后再进行FFT分.